卧式加工中心颤振的形成机理

卧式加工中心颤振的形成机理

非晶态加工中心的特点是灵活、高精度和高效率，越来越多地应用于不同的加工行业。如何提高嵌入式加工中心的加工效率，以及设备价值的最大作用一直是加工中心技术人员的目标。高效往往通过强力切削和应用高切削参数来实现,但在强力切削过程中易产生颤振,影响到加工质量,制约了加工效率的提高。1切割过程中的振动现象及其性质1.1颤振发生机理在生产实践中,当切削速度提高后会产生刀具抖动现象,严重时肉眼可以观察到,而加工工件的表面光洁度随之严重下降,这种情况理论上称为颤振。颤振是机械加工在没有周期性外力的作用下,由机床—工件—刀具—夹具工艺系统内部激发反馈产生的周期性的振动。震颤是工艺系统失稳的外在表现,震颤使工件表面产生振纹,表面粗糙度值加大,损害工件表面质量,加剧刀具磨损,降低刀具和机床的使用寿命,另外震颤严重时产生尖锐的噪声,影响工作环境,特别是对于光洁度精度要求较高的孔,即便是粗镗发生颤振也是致命的,因此在切削加工中要尽量避免颤振的发生。颤振的产生原因很复杂,与诸多的因素有关,如机床的刚性、夹具的合理性、工件的外形和刀具的刚性等等,这里仅从分析切削条件出发,阐述通过改变切削条件来避免颤振的发生。国内外学者对颤振产生的机理,进行了深入的研究,从不同的方面阐述了颤振的特性和机理,颤振主要可分为再生型、振型耦合型、摩擦性、滞后型等几种颤振类型。在这几中颤振中以再生型最为普遍和常见,下面就以再生型说明切削宽度与颤振的关系。图1是再生切削效应示意图,假设切削环境条件(机床、夹具等)不变的情况下,在镗削过程中,本转次切削的振纹与前转次的振纹总不会完全吻合,设它们的相位差为ψ,如本转次切削时颤振引起的刀具与工件的相对位移Yn为:前一次切削时颤振引起的刀具相对工件的位移Yn-1为:则其动态厚度α(t)为:动态切削力为:式中,An,An-1为切削时颤振的振幅,mm;α0名义切削厚度,mm;b为切削层宽度,mm;k为切态切削力系数。显然在切削过程中,当刀具转过一转后,刀具在有振纹的表面进行切削,切削厚度将呈周期性变化,此时切削过程中就有交变的动态切削力产生,如果切削过程中的各种条件的匹配进一步促进振动,就会发展成颤振。2动态切削力系数k在影响颤振的切削条件中,切削厚度b对颤振的影响最大。切削实践表明,影响颤振的切削厚度有个极限blim,由此可构成一个工艺系统能够稳定运行的安全准则—极限厚度安全准则,如果切削厚度小于极限切削厚度blim,则无论其它切削厚度如何都不会产生颤振。如切削厚度大于其极限切削厚度blim,则无论其它切削参数如何都会产生颤振。因此对于一个工艺系统来说,依据极限厚度blim作为一种安全准则是必要的。即:o<b<blim。不同的机床、夹具、刀具和加工材料等构成的工艺系统环境是不同的,其动态切削力系数k是不相同的。在同一个工艺系统中即k是恒定时,动态切削力F(t)取决于切削层厚度blim,如何减小切削层厚度blim从而达到减小动态切削力F(t)成为提高切削效率的关键。3在实践中的应用3.1进给速度对颤振的影响在实践中加工的是薄壁件缝纫机的机壳,加工的工序是粗镗孔,由于机壳外形的特殊性影响更易产生震颤。材料:HT2040刀具φ38镗刀刀具材料是硬质合金刀片,单边切削余量1.5mm,刀具的长度是240mm。切削进给速度F=580mm/min,S=500r/min时,在加工中产生震颤,最初以为是夹具刚性不足,通过改进夹具发现情况没有发生明显变化。之后,根据上述理论在实践中对切削的厚度进行了分析,试验数据如下:由表1、图2可见,主轴转速不变时提高进给速度,随着进给速度提高切削厚度增加到大于0.8mm时产生颤振。由表2可见,速度不变提高主轴转速,随着转提高到切削厚度小于0.8mm时不产生震颤。可以看出此加工系统环境的限切削厚度blim=0.8mm左右,震颤发生只与切削厚度有关,与机床的主轴转速和切削速度无关,因此其实际结果与理论相符,从而为解决此问题提供了理论依据。但是如果采用表1的方法降低进给切削速度,那么整个的加工效率被降低。如果采用表2、图3的方法提高主轴的转速,刀具磨损严重,需要经常换刀,既浪费时间又不经济,也不可取。3.2降低切削力根据上述理论将单刃镗刀改为双刃镗刀,使切削刃的切削厚度blim降低到原来的一半,从而使得整个切削力F(t)比原来减少了30%,将切削参数选取切削进给速度F=600mm/min、主轴转速S=520r/min,未发生颤振,从而在未改变其它工艺环境的情况下,提高了加工效率60%。4提高加工工艺的质量及工艺效率在卧式加工中心实际镗孔加工中,在镗刀刀杆较长的情况下,刀杆处于悬空状态,动态切削力系数k值较大,相应的极限切削厚度blim较小,在上述的试验中证明增加刀刃数量是一种解决的办法,在加工中应该根据具体的情况来选用。卧式加工中心设备价格昂贵,如